大学化学, 2021, 36(2): 1912006-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX201912006

教学研究与改革

双一流背景下培养拔尖人才的分析化学实验课程的建设

刘红瑜,1, 金谷2, 姚奇志1, 李娇1, 李玲玲1

The Construction of Analytical Chemistry Laboratory Course for Training Top Talents Under the Background of "Double First Class"

Liu Hongyu,1, Jin Gu2, Yao Qizhi1, Li Jiao1, Li Lingling1

通讯作者: 刘红瑜,Email: liuhyhx@ustc.edu.cn

收稿日期: 2019-12-2   接受日期: 2019-12-4  

基金资助: 2018年度中国科学技术大学本科教学研究项目.  2018xjyxm12

Received: 2019-12-2   Accepted: 2019-12-4  

Abstract

Analytical chemistry laboratory plays a very important role in basic chemistry laboratory teaching. With the development of scientific research, the status of instrument analysis has been promoted, and the status of quantitative analysis laboratory in basic teaching has been greatly impacted. This paper introduces the reform and achievements of the laboratory of analytical chemistry in our university in recent years.

Keywords: Analytical chemistry laboratory ; Quantitative analysis laboratory ; Impact ; Reform ; Effect

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刘红瑜, 金谷, 姚奇志, 李娇, 李玲玲. 双一流背景下培养拔尖人才的分析化学实验课程的建设. 大学化学[J], 2021, 36(2): 1912006-0 doi:10.3866/PKU.DXHX201912006

Liu Hongyu. The Construction of Analytical Chemistry Laboratory Course for Training Top Talents Under the Background of "Double First Class". University Chemistry[J], 2021, 36(2): 1912006-0 doi:10.3866/PKU.DXHX201912006

“双一流”建设背景下的一项重要任务就是培养拔尖创新人才。就化学专业而言,如何在基础教学中做到创新能力的培养是一大批化学教育工作者致力于研究的方向[1-17]。创造力的培养是教学改革的方向。

中国科学技术大学化学实验教学中心分析化学实验面向全校化学、材料、高分子、化学物理等专业的学生,教学覆盖面较广。分为Ⅰ、Ⅱ两种类型,Ⅰ型实验以定量分析为主,重在锻炼学生的基本操作、培养学生良好的实验习惯、教学生学会处理实验数据、使学生能针对实验结果分析其误差的主要来源。Ⅱ型实验主要以综合探究及设计实验为主,重在培养学生运用理论知识指导具体实验设计,培养学生的科研意识,使学生初步具有科研能力。

随着科研的发展,仪器分析的地位不断提升,定量分析实验在基础教学中的地位受到很大的冲击。

1 分析化学实验教学现状

分析化学实验的教学改革一直在不断探索中,纵观以往的成效,可以看出,还是存在一些不足。存在的主要问题有以下三个方面:

(1) 分析化学理论课和实验课进度严重不同步。

分析化学实验教学设计上,过分强调教师的主导作用,学生的参与度较低。往往实验课结束了,理论课才进行到一半,讲解实验课时学生不能完全理解所讲授的知识,尽管一再强调课前预习,但是由于学生对实验的不重视,预习往往流于形式,学生基本上处于被动学习状态,无法达到有效的实验教学的根本目的。

(2) 教学内容与学科前沿接轨不够充分。

分析化学(上)的实验内容基本上是以经典验证实验为主,操作主要以滴定操作为主,这对于初次接触分析化学实验的学生来说,内容太过枯燥,目前的教学内容虽然已经优化了很多,但是由于实验学时及实验条件所限,仍然没能从根本上提升学生的学习兴趣。不能充分调动学生的积极性与主动性,不利于培养学生的创新思维,提高其创新能力。

(3) 分析化学实验教学中学生太注重实验结果。

由于每次实验时间较长,从下午两点一直到晚上八九点,学生一味追求实验结果而忽略对实验过程的思考以及对实验结果的分析讨论。传统的分析化学实验教学看似非常严谨,但是太过刻板,造成学生对于分析化学实验的印象就是要有很小的实验误差,好像这就是学习分析化学实验的宗旨。非常不利于培养学生分析问题和解决问题的能力。就创新人才而言,应该更加注重其透过现象发现本质、认清本质后找到解决问题的方法、达到举一反三能力的培养。针对不同类型的实验我们对学生的教学目标也是很有层次性的。如图 1所示。

图1

图1   分析化学实验不同类型实验的教学目标


2 分析化学实验教学改革

我们在分析化学实验课程建设中主要从以下三方面进行了探索和实践。

2.1 建立分析化学实验信息化教学资源库

我校分析化学实验在信息化时代的引领下,也逐步将信息化手段应用到课堂教学实践中。比如我们制作了大量的课程展板(图 2)和PPT (图 3),同时也拍摄了多个微视频,特别是将一些耗时比较长、过程比较复杂的综合实验通过视频剪辑,让学生更加直观地理解实验过程。如图 4图 5所示。

图2

图2   分析化学实验课程展板


图3

图3   分析化学实验部分实验项目PPT


图4

图4   海藻酸盐微胶囊的控制制备及缓释研究实验的视频截图


图5

图5   Al2O3吸附铜离子和聚乙二醇双水相分离体系两个实验的视频截图


这些信息资源的建设对于学生掌握一些关键的操作非常有指导意义。极大地提高了学生的预习质量。

2.2 增加了大量的设计实验

结合本校学生的培养目标,在实验内容上,分析实验Ⅰ增加了大量的设计实验。

设计实验分4个阶段进行。(1)前期准备:项目调研。(2)开展自主设计实验:2–3位同学自行组队,通过初步探究确定最初实验方案。(3)设计实验开题答辩:设计方案经教师审阅、课堂答辩后,由学生按要求自主设计。(4)完成实验:按照设计方案完成设计实验并完成实验报告的撰写。

设计实验具体的开设流程是第一次分析化学实验时将设计实验的形式告知学生,样品由学生(2人一组或者是3人一组)自主选择。2周以后学生将选择的样品类型、测定方法告诉教师。4周后学生将设计实验的初步方案提交教师,教师来初步判断实验的可行性(包括理论计算和实验条件选择)。5周后如果学生的方案可行,学生可以初步进行样品制备及分析,如果发现问题及时和教师沟通并找到解决方法。6周后通过进一步探究确定实验方案。7周后将实验方案以正式的设计论文提交。第9周全班进行课题开题答辩。第10周完成整个设计实验。部分设计开题答辩照片如图 6所示。

图6

图6   部分设计实验课堂讨论照片


选题达20多个,部分设计实验如下:

①  测定膨松剂中的铝含量

②  脉动中还原糖及溶解氧含量的测定

③  中科大也西湖水质分析

④  采用不同方法测定抗坏血酸的含量

⑤  蛋白粉中蛋白质含量的测定

⑥  和州组灰岩中铜含量的测定及白云质含量测定

⑦  中华牌牙膏中的二氧化硅含量测定

⑧  碘量法测定红茶中的糖

⑨  催化剂含量分析

⑩  白酒中甲醛含量测定

分析化学实验(下)增加了一些探究性的实验。完善并改进的实验项目主要包括:

①  含铬废液的铬价态分析及废液处理

②  微晶酚酞固相分离富集-分光光度法测定痕量Zn(Ⅱ)

③  海藻酸钙微胶囊的制备及缓释研究

④  碘与多羟基聚合物显色反应研究及分析应用

铬废液的回收及价态分析,要求学生自行设计实验方案,在设计实验方案的同时,将铬废液处理为无污染的形式便于排放,不仅锻炼了学生分析问题、解决问题的能力,也培养了学生绿色化的理念。微晶酚酞固相分离富集-分光光度法测定痕量Zn(Ⅱ)是为综合型分析化学实验奠定基础,让学生初步了解分光光度法;钙钡混合液中各组分含量的测定是能够提升学生综合实验能力的一个典型实验;其他几个实验都是结合前沿热点,让学生初步了解科研动态以及开展科研的基本思路和基本方法。通过设计实验及暑期科研基础训练的开展,学生初步学会了书写科技小论文。部分设计报告如图部分设计实验结果如图 7所示。暑期科研基础训练部分照片如图 8所示。

图7

图7   部分设计报告


图8

图8   暑期科研基础训练


2.3 建立合作学习模式

分析化学实验Ⅰ主要是训练基本的实验操作技能和深化学生对化学分析方法的理解。这些实验中涉及最多的是滴定操作。每个实验平均至少要做6次滴定实验。每个学生一个学期大概要做60次左右的滴定操作。如此大量的重复操作极大地影响了学生对课程的积极性。长此以往,学生将逐渐丧失对分析化学实验的兴趣,这严重影响了分析化学实验课程的教学质量。因此必须要对课堂教学的基本策略进行相应的调整,以激发学生学习的积极性。合作学习模式侧重培养学生分析解决问题的能力,弱化过分关注实验结果的现象。好的学习活动和学习任务应当首先使学生感兴趣、愿意做。兴趣一旦形成,学生对分析化学实验的投入就会更加专注。因此分析化学实验课堂教学的设计要使做实验的过程成为一个满足好奇心和学习需要的主动过程。合作学习模式下部分实验过程的照片如图 9所示。课堂中让学生之间采用合作的方式,减少了重复操作,同时也节约了大量的试剂。让学生在课堂上既有锻炼基本操作的机会,同时还能有充足的时间进行相互讨论。有关这方面的教学研究心得已在第十二届全国大学化学教学研讨会(2013年)作了分会场报告,报告如图 10所示。

图9

图9   优化学习模式的流程(a);合作学习模式下部分实验过程的照片(b)


图10

图10   十二届全国大学化学教学研讨会分会场报告


3 结语

分析化学实验课作为大学化学的一门基础实验课,在“双一流背景”下的化学专业教育中发挥了关键的作用。本文针对本校分析化学实验教学中存在的一些问题展开了研究,通过建立信息化的教学资源库(包括大量形式多样的课程展板、课程PPT、实验微视频)、增加大量的设计实验、建立合作学习模式,有效地改善了课堂教学质量、提升了学生的学习兴趣、丰富了学生的课堂体验、保障了分析化学实验的高质量完成。希望能为其他高校提供借鉴。

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